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antriebstechnik 9/2019

antriebstechnik 9/2019

WÄLZ- UND GLEITLAGER

WÄLZ- UND GLEITLAGER KOMBINATION VON HOCHGENAUIGKEITSLAGER UND PULSATIONSARMEM SYNCHRONMOTOR DER MASCHINENBAU ERSCHLIESST DEN NANOMETERBEREICH Für die Hersteller von hochwertigen CNC-Schleifanlagen hat Schüssler- Technik ein Antriebssystem entwickelt, das sich durch extreme Präzision auszeichnet. Dabei wird ein hochgenaues Zylinderrollenlager aus eigener Fertigung mit einem Synchron- Direktantrieb kombiniert. Der folgende Beitrag beschreibt die einzelnen Komponenten des Antriebssystems und berichtet über erste Praxiserfahrungen. Ullrich Gäbel ist Senior Consult und Dipl.-Ing. (BA) Matthias Imle ist Leiter Entwicklung/ Konstruktion, beide bei der Schüssler-Technik GmbH & Co. KG in Pforzheim Die Entwicklung von Antriebssystemen für Schleifprozesse gehört zu den Königsdisziplinen der Antriebstechnik – jedenfalls sofern man die Präzision und nicht die pure Antriebsleistung als Maßstab nimmt. Auf der elektromechanischen Ebene wird eine extreme Steifigkeit auch unter hoher Belastung und eine Präzision im Nanometerbereich gefordert. Auf der steuerungstechnischen Seite wird von der Antriebsregelung eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit verlangt, um bei Abweichungen von den Sollwerten sofort gegenregeln zu können. Nach diesen Maßgaben hat die Schüssler-Technik GmbH & Co. KG – ein Spezialist für die Entwicklung und Produktion von Hochpräzisionsantrieben – ein komplettes Antriebssystem für den Werkstückspindelstock von Schleifanlagen entwickelt. Basis der Entwicklungsarbeit war, neben der hohen antriebstechnischen Kompetenz, die umfassende Erfahrung in der Schleiftechnik und die Expertise in der Fertigung von hoch präzisen Antriebselementen wie z. B. Wälzlagern. NANOMETERGENAU GEFERTIGT Kernkomponente des Präzisionsantriebs sind hochgenaue Zylinderrollen, die in einer bisher nicht erreichten Genauigkeitsklasse von 50 Nm Durchmesserdifferenz gefertigt und veredelt werden. Die Form- und Lagetoleranz der Zylinderrollen ist – im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik in der Rollenfertigung – um den Faktor Zehn verbessert. Zudem weisen die von Schüssler gefertigten Zylinderrollen einen deutlich höheren Traganteil auf, weil sie die Last beim Abrollen auf einer größeren Fläche abstützen. Die Integration der bestehenden Rollenlaufflächen von Welle und Lagerscheibe (Gehäuse) ohne Fügestellen erhöht die Gesamtsteifigkeit gegenüber Einzellagern um den Faktor Fünf im Vergleich zu Standard-Einbaurollenlagern gleicher Größe. Oder sie reduziert – je nach Anforderung – den benötigten Bauraum um den Faktor Fünf. ALTERNATIVE ZU AERO- UND HYDROSTATISCHEN LAGERUNGEN Damit schaffen diese Wälzlager im Vergleich zu den üblicherweise eingesetzten Schrägkugellagern die Voraussetzung für wesentlich präzisere Schleifprozesse. Unter Serienbedingungen sind reproduzierbare Genauigkeiten von ± 0,5 µm Durchmesser erreichbar. Solche Anforderungen sind mit konventionellen 26 antriebstechnik 2019/09 www.antriebstechnik.de

Wälzlagerungen nicht zu erfüllen – höchstens mit aerostatischen und hydrostatischen Lagerungen. Der Belastungstest eines solchen Nanometer-Rollenlagers zeigt die Vorteile der hochgenau gefertigten zylindrischen Rolle gegenüber der Punktlast der Kugel. Realisiert werden Kippsteifigkeiten des Gesamtantriebs von 50 000 bis 200 000 Nanometer/ mrad. Damit lassen sich die hochgenauen Form- und Lagetoleranzen, die bei der Schleif bearbeitung gefordert sind, zuverlässig erreichen. SEHR HOHE RUNDLAUF- UND PLANLAUFGENAUIGKEIT Verbaut im integrierten Rollenlager ohne Zwischenringe und Fügestellen, erreichen die gefinishten Rollen mit Durchmesserabstufungen von 50 Nanometern Dämpfungen und eine Restpulsation von unter zwei Nanometern. Diese integrierte Kompaktlagerung schafft die Voraussetzung für die Konstruktion von Direktantrieben mit Rundlauf- bzw. Planlaufgenauigkeiten von 50 bis 100 Nanometern (0,05 bis 0,1 µm) am Abtrieb des Gesamtsystems. Als Motor kommt ein wassergekühlter, extrem pulsationsarmer Synchronmotor mit 21 Polpaaren zum Einsatz, den Schüssler-Technik ebenfalls speziell für Metrologie- und Werkzeugmaschinen- Antriebe entwickelt hat. ANTRIEBSREGELUNG MIT 100-KHZ-SERVOREGLER Eine sehr hohe Regelgüte gehört zu den weiteren Voraussetzungen, um hochgenaue Schleifprozesse zu realisieren. Um diese Anforderung zu erfüllen, hat Schüssler-Technik sich für die Triamec-Servoregler entschieden. Sie zeichnen sich u. a. durch eine überdurchschnittlich hohe Abtastrate und eine extrem kurze Reaktionszeit aus. Ziel ist es, möglichst schnell auf Abweichungen reagieren zu können – nach dem Motto: „Verlorene Zeit ist durch keinen intelligenten Algorithmus ausgleichbar“. Für die Praxis des Schleifprozesses bedeutet das: Die Abweichung von der Soll- Trajektorie ist kleiner, da der schnelle Regler eine stärkere Rückführung besitzt. Besonders deutlich wird das beim Schleifen mit gekoppelten Achsen, d. h. bei Schleifobjekten mit Freiformen. Aber auch beim Rundschleifen wird das Schleifbild in der Abweichung vom Kreis gleichförmiger bei effektiv kleinerer Kreisabweichung, weil der Regler Maschinenresonanzen und Momentenpulsation aktiv unterdrückt und die Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit hält. Durch die besonders schnelle Nachregelung von Strom und Drehzahl entsteht – in Kombination mit dem hochpräzisen mechanischen Antrieb – eine besonders hohe Torsionssteifigkeit von ca. 50 Nanometern/arcsec. Damit können Abweichungen vom Kreis bis zu 20 Nanometern realisiert werden. Das bedeutet, dass beim Schleifprozess keine verzögerte Kontaktzeit mit der Schleifscheibe im Teilbereich einer Umdrehung entsteht. Quantitativ verbessert der Triamec-Regler die geregelte Steifigkeit um einen Faktor von 5 bis 10. Je komplizierter die Maschinenkinematik und Werkstückoberfläche, umso mehr kommt der Steifigkeitsgewinn zum Tragen. KEINE RADIALE BEEINFLUSSUNG SELBST BEI MAXIMALEN SCHLEIFKRÄFTEN Der Komplettantrieb mit Motor und Servoregler zeichnet sich u. a. dadurch aus, dass die Lagerung selbst bei maximalen Schleifkräften radial nicht beeinflusst wird. Diese Genauigkeit erlaubt es, auch gehärtete Bauteile fliegend auf der Spindelnase zu schleifen. Aufgrund der Steifigkeit können dabei CBN- und Diamantschleifscheiben eingesetzt werden. Durch die exakte Wasserkühlung des Lagers (± 0,1 °C) wird die Prozesswärme des Schleifteiles abgeführt und die Genauigkeit über die Serienlaufzeit gehalten. Dabei stabilisiert die Verspannung von Motor und Lagerung den Antrieb im Bereich des Rundlaufs bei unter 100 Nanometern. Die Nachstellung der Genauigkeit wird damit realistisch. Die Komplettbearbeitung auf der Spindelnase verfolgt das Ziel, möglichst wolkenfreie Oberflächen zu erzeugen, um hochpräzise Form- und Lagetoleranzen bei minimalen Oberflächenrauigkeiten zu erreichen. Ebenso möglich ist die Komplettbearbeitung Mastering the Digital Transformation KEBA +LTI –Ihr starker Partner für die vernetzte Welt der Automatisierung Smart Technology dank der Automatisierungslösung SystemOne CM 06.11. -08.11.2019 in Bad Salzuflen Halle21, Stand F9 Merger KEBA & LTI www.keba-lti.com

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